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TWI395627B - 具有變形補償裝置之線切割放電加工機及伸臂變形補償方法 - Google Patents

具有變形補償裝置之線切割放電加工機及伸臂變形補償方法 Download PDF

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TWI395627B
TWI395627B TW096146021A TW96146021A TWI395627B TW I395627 B TWI395627 B TW I395627B TW 096146021 A TW096146021 A TW 096146021A TW 96146021 A TW96146021 A TW 96146021A TW I395627 B TWI395627 B TW I395627B
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Description

具有變形補償裝置之線切割放電加工機及伸臂變形補償方法
本發明係為一種具有變形補償裝置之線切割放電加工機及伸臂變形補償方法，尤其是有關於一種利用於伸臂上設置應變規來進行切割路徑補償之線切割放電加工機。
產品的精密化以及功能之自動化，已成為未來工具機的發展趨勢；針對超精密加工技術市場，其所應用的產品市場逐年成長，未來對於個人移動3C產品、光電通訊、生醫零組件之超精密模具或零組件加工勢必有強烈需求，因此超精密加工市場前途大為看好；然而，當產品的加工精度需求進入到超精密等級時，相關產品的設計將被精密加工的製造能力所牽制，若要製造高精度的產品，則必須整合多種製程方式，花費大幅成本方得以實現。
線切割放電加工(WEDM，Wire Electrical Discharge Machining)為非傳統加工方式之一，其加工原理乃藉由導電之線電極進行切削，於導電工件與線電極在極靠近的狀況下施加電壓而造成火花放電現象，利用該現象發生時的高熱熔化加工物以達到切削加工之目的；因此，線切割放電加工提供實現超高硬度材料進行精密加工之絕佳選擇。
隨著產業的發展，線切割放電加工機的市場也逐漸擴大，使得整體生產量隨之上升，而在機台生產的過程中最常發生的問題即為機台量產穩定性問題。該問題源自各機台從鑄件製作、零組件製造至整機裝配之過程極為複雜，整個生產過程會經過很多道程序，也需要大量人力投入其中，因此很容易在生產過程中出現瑕疵，進而導致最終機台精確度與期望不同。線切割放電加工機於第一刀加工時需要進行高壓沖水以利排渣之順暢，但是沖水之壓力高達20kg/cm2 且直接施於上下機頭，此時下伸臂因為較為細小且距離支點較遠，因此很容易出現下垂的現象，導致下機頭端點於空間中之位置出現偏移的現象。線切割放電加工乃採用線電極進行放電切削，控制器在計算線電極之加工路徑時，先以上下機頭之端點連線作為線電極目前於空間中之姿態，再依照使用之線電極半徑進行路徑補償修正。若於加工中上下機頭之位置因變形而發生偏移，則線電極行走之路徑將與預期不同而造成加工精度不準確之問題。目前現有對於此問題之處理方式為加大下伸臂粗度以提升剛性並降低變形之程度，該方法僅能減少變形問題之發生，並無法隨著沖水壓力、環境溫度、伸臂長度進行即時現上變形量測，進而補償修正因變形所造成之路徑偏移。
習用的線切割放電加工機，其伸臂結構有以下缺點：(1)高壓沖水時會使機頭承受極大的壓力，所產生的力矩將使伸臂產生變形：一般在進行高速加工時為確保排渣良好，需要對工件進行高壓沖水以利排渣，而沖水的部位是由上下機頭(如圖一之機頭10與機頭12)中之噴流機構擔任。高壓沖水時會使上下機頭承受一極大的反作用力，該壓力可達20kg/cm2 ，再加上支點與力臂所產生的力矩將使伸臂產生變形。尤其是下伸臂(如圖一之伸臂14)因機頭與支點的距離較遠，且伸臂之截面積較小，因此所產生的變形量更為嚴重。
(2)不同的沖水水壓、伸臂材質與長度皆會影響變形量：上下伸臂之變形主要是因為伸臂受到力矩(機頭施力x力臂長度)之影響而發生變形，因此不同的沖水壓力與力臂長度其產生之力矩也不同，因此所造成的變形量亦不同。此外，伸臂材質為影響材料剛性的主要因素之一，材質剛性越強其受到相同外力時的變形量相對較小。
(3)無法得知目前伸臂之變形量，亦無法針對該問題進行線上補償修正：目前線切割放電加工機並無任何偵測方式可以針對伸臂之變形加以監控，因此無法確認變形量之大小或進行補償修正。
緣此，本案之發明人係研究出一種具有變形補償裝置之線切割放電加工機，其係可改善習知技術中因為沖水壓力造成切割路徑偏移之缺點。
本發明之主要目的係為提供一種具有變形補償裝置之線切割放電加工機及伸臂變形補償方法，其係利用應變規來進行伸臂之形變量測量並據以回授控制，進而達成切割路徑補償之目的。
為達上述目的，本發明係提供一種具有變形補償裝置之線切割放電加工機，包含：一可移動之伸臂；一量測單元，係安裝於該伸臂上以量測該伸臂之變形量；以及一控制單元，係與該量測單元電連接並控制該伸臂之移動；其中，該控制單元儲存有一伸臂變形量與位置誤差值之對照表，故可根據該伸臂之變形量對該伸臂進行回授位移控制。
為達上述目的，本發明更提供一種線切割放電加工機伸臂變形補償方法，包含步驟：(a)提供一線切割放電加工機，具有可移動之伸臂、安裝於該伸臂上以量測變形量之量測單元，以及與該量測單元電連接並控制該伸臂移動之控制單元；(b)該量測單元量測該伸臂於作業時所產生之變形量並產生一訊號；(c)該控制單元接收該訊號並根據儲存之伸臂變形量與位置誤差值之對照表求得該伸臂之位置誤差值；以及(d)該控制單元根據該位置誤差值對該伸臂進行回授位移控制。
為使 貴審查委員對於本發明之結構目的和功效有更進一步之了解與認同，茲配合圖示詳細說明如後。
圖二係為本發明具有變形補償裝置之線切割放電加工機之示意圖，本發明之具有變形補償裝置之線切割放電加工機2主要係藉由設於設於上伸臂24上之機頭20與下伸臂26上之機頭22來對料件進行切割，該上伸臂24與下伸臂26係可自由移動。
於尚未進行切割前，該機頭20與機頭22係彼此相對，可於兩個機頭間之線電極與工件間施加電壓而造成火花放電並利用其高熱熔化料件以達到切削加工之目的；然而在切割時，為使排渣順利，故上下機頭20與22之周圍會噴出強力水柱(圖中未示出)來進行排渣，故會使得上下伸臂24與26遭受一強大之反作用力而變形(請參見圖三A與圖三B)，而上下伸臂24與26之變形會使得機頭20與22相應地產生偏移，故使得料件之切割路徑產生誤差，造成料件切割時之精確度下降。
圖四係為上述路徑偏差之簡圖，其中原本相對應之上下機頭20與22由於伸臂變形之故使得位置產生偏移，因此不但在X方向上產生位移偏差a，更在Y方向上分別產生位移偏差b與位移偏差c，故使得切割精度下降。
為改善此缺失，如圖二所示，於本實施例中係於下伸臂26上設有複數個應變規(Strain Gauge)200、202與204，當下伸臂26發生變形時會牽動上方貼附之應變規200、202與204使之產生變形，應變規200、202與204的變形將影響其本身的電阻性，而後再利用一阻抗變化轉換放大電路(如圖六所示)將電阻變化轉換成電壓變化。於本發明之實施例中，係僅於下伸臂22上設置應變規200、202與204；然而本發明係可同時於上下伸臂上設置應變規來進行變形量測，此等應用變化端視使用者之需求，於此不再贅述。
又，本發明更於線切割放電加工機中設置有一微型處理器50，如圖五A之元件連接關係示意圖所示。其中之應變規54係先與一阻抗變化轉換放大電路56電連接後，再連接至該微型處理器50，該微型處理器50又與伸臂52電連接以控制伸臂52之移動，此外該微型處理器50更與一記憶體58電連接，該記憶體58則儲存一伸臂變形量與位置誤差值之對照表580(其產生方式將陳述如後)，故可根據該伸臂之變形量對該伸臂進行回授位移控制。
當然，該本發明之使用元件亦可有其他變化，如圖五B所示，意即該該伸臂52係分別與微型處理器50及應變規54電連接，該微型處理器50與應變規54亦互相電連接，其中該微型處理器50係直接設置有阻抗變化轉換放大電路56且儲存有該伸臂變形量與位置誤差值之對照表580。
圖六係為本發明中所使用之精密阻抗變化轉換放大電路之電路圖。精密阻抗變化轉換放大電路中有關運算部份(如圖六中之運算區600)是由多種元件電路所組成，可真對各元件間之電壓偏移、溫度偏移進行補償，同時可完成抑制雜訊與阻抗匹配之功能，其整體功能能同等於精密運算放大器。
當伸臂發生變形時會同時造成上方貼附之應變規變形，此時應變規本身之阻抗會出現變化，該阻抗之變化透過精密阻抗變化轉換放大電路後將使得輸出電壓隨之改變。
請參照圖七，該圖係為本發明中之伸臂變形量與位置誤差對照表之製作流程圖，其中：步驟71－首先，對線切割放電加工機之伸臂施予一力量，使伸臂產生變形，該機頭會隨著產生一位置變化量；步驟72－當伸臂變形時，該應變規會根據該變形量對應產生一輸出電壓變化；步驟73－將該機頭位置變化量與該輸出電壓變化量紀錄後，重複步驟71；以及步驟74－將得到之多組資料形成伸臂變形量與位置誤差值之對照表。再請參照圖八，該圖係為本發明之伸臂變形補償方法之流程圖，其中包含：步驟81－該應變規量測該伸臂於作業時所產生之變形量並產生一電壓變化量；步驟82－該微型處理器接收該電壓變化量後，從伸臂變形量與位置誤差值對照表中根據電壓變化量求得伸臂之位置誤差值；以及步驟83－該微型處理器根據位置誤差值對伸臂進行回授位移控制。
如此，本發明之具有變形補償裝置之線切割放電加工機由於可對伸臂進行回授位移控制，故可將因水柱沖擊反作用力而變形之伸臂進行位移補正，使得機頭可回到原切割路徑上，因此可提高切割時之精準度，確保加工精確度不會因為伸臂變形而降低。
唯以上所述者，僅為本發明之最佳實施態樣爾，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
2．．．線切割放電加工機
10．．．機頭
12．．．機頭
14．．．伸臂
20．．．機頭
22．．．機頭
24．．．上伸臂
26．．．下伸臂
50．．．微型處理器
52．．．伸臂
54．．．應變規
56．．．阻抗變化轉換放大電路
58．．．記憶體
200．．．應變規
202．．．應變規
204．．．應變規
580．．．伸臂變形量與位置誤差值之對照表
600．．．運算區
圖一係為習知之線切割放電加工機之示意圖；圖二係為本發明之線切割放電加工機之示意圖；圖三A係為線切割放電加工機之伸臂於正常狀態下之示意圖；圖三B係為線切割放電加工機之伸臂於變形狀態下之示意圖；圖四係為機頭路徑偏差之示意圖；圖五A係為本發明線切割放電加工機之元件連接示意圖；圖五B係為本發明線切割放電加工機之元件連接示意圖，其係顯示另一實施例；圖六係為本發明所使用之精密阻抗變化轉換放大電路之電路圖；圖七係為本發明所使用之伸臂變形量與位置誤差對照表之製作流程圖；以及圖八係為本發明所使用之伸臂變形補償方法之流程圖。
2．．．線切割放電加工機
20．．．機頭
22．．．機頭
24．．．上伸臂
26．．．下伸臂
200．．．應變規
202．．．應變規
204．．．應變規

Claims (9)

  1. 一種具有變形補償裝置之線切割放電加工機，包含：一可移動之下伸臂；一量測單元，係安裝於該下伸臂上，以量測該下伸臂之變形量，該量測單元係包含至少一應變規；以及一控制單元，係與該量測單元電連接並控制該下伸臂之移動，該控制單元更包含一阻抗變化轉換放大電路；其中，該控制單元係與儲存有一下伸臂變形量與位置誤差值之對照表的記憶單元電連接，故可根據該下伸臂之變形量對該下伸臂進行回授位移控制。
  2. 如申請專利範圍第1項之具有變形補償裝置之線切割放電加工機，其中該量測單元更包含一阻抗變化轉換放大電路。
  3. 一種線切割放電加工機伸臂變形補償方法，包含步驟：(a)提供一線切割放電加工機，其具有可移動之下伸臂、安裝於該下伸臂上以量測變形量之量測單元，該量測單元係包含至少一應變規，且該量測單元更包含一阻抗變化轉換放大電路，以及與該量測單元電連接並控制該下伸臂移動之控制單元，該控制單元更包含一阻抗變化轉換放大電路；(b)該量測單元量測該下伸臂於作業時所產生之變形量並產生一訊號；(c)該控制單元接收該訊號並根據儲存之下伸臂變形量與位置誤差值之對照表求得該下伸臂之位置誤差值；以及 (d)該控制單元根據該位置誤差值對該下伸臂進行回授位移控制。
  4. 如申請專利範圍第3項之線切割放電加工機伸臂變形補償方法，其中該應變規於變形時係產生阻抗變化，該阻抗變化轉換放大電路係將該阻抗變化轉為輸出電壓變化，該控制單元接收該輸出電壓變化並根據對照表求得該下伸臂之位置誤差值。
  5. 如申請專利範圍第3項之線切割放電加工機伸臂變形補償方法，其中該下伸臂變形量與位置誤差之對照表係依下列步驟製作：(a1)對該下伸臂施予不同力量使其產生數種變形並紀錄位置誤差值；(a2)該量測單元係根據該數種變形對應產生數種訊號；以及(a3)該控制單元係紀錄該位置誤差值與相應之訊號以形成下伸臂變形量與位置誤差值之對照表。
  6. 如申請專利範圍第5項之線切割放電加工機伸臂變形補償方法，其中該量測單元係包含至少一應變規。
  7. 如申請專利範圍第5項之線切割放電加工機伸臂變形補償方法，其中該量測單元更包含一阻抗變化轉換放大電路。
  8. 如申請專利範圍第5項之線切割放電加工機伸臂變形補償方法，其中該控制單元更包含一阻抗變化轉換放大電路。
  9. 如申請專利範圍第5或8項之線切割放電加工機伸臂變 形補償方法，其中該應變規於變形時係產生阻抗變化，該阻抗變化轉換放大電路係將該阻抗變化轉為輸出電壓變化，該控制單元接收該輸出電壓變化並根據對照表求得該下伸臂之位置誤差值。
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